AZ ALGA FELHASZNÁLÁS TERÜLETEI ÉS TERMESZTÉS TECHNOLÓGIÁI Mészáros Miklós Gazdasági, Agrár- és Egészségtudományi Kar, Szent István Egyetem, Szarvas 1. AZ ALGA HASZNOSÍTÁSA A távol keleten, Kínában már évszázadok óta az étkezés nélkülözhetetlen részét képezi az alga. Az első algafarmok Japánban az 1600-as években alakulta ki. Napjainkban az alga emberi fogyasztásra történő feldolgozása óriási üzletággá fejlődött. A porszerű és kapszulás formában történő előállítása mellett felhasználják természetes alapanyagokból készült szellemi és fizikai erőt adó italok gyártására, sőt bor készítésére is. A gyógyszeripar, a szépség- és wellnessipar antibiotikumok összetevőjeként, vagy krémek, táplálék-kiegészítők, pakolások formájában alkalmazza az algát. Az állattenyésztésben különböző takarmány kiegészítőként algaliszt formájában hasznosítják. A növénytermesztésben a karbongazdálkodási programban alga levéltrágya formájában kerül hasznosításra. Algás levéltrágya hatására a növények csírázási és növekedési esélyei javulnak, a gyökér és a növény zöldtömege megnő, korábban kezdődik a virágzás és jobb a terméskötődés, rövidebb lesz a termesztési idő. Szabályozó hatásával fokozza a termény íz- és zamatanyagainak képződését, növeli a termény eltarthatóságát és csökkenti nitrát tartalmát. Növeli a betegségekkel és a kártevőkkel szembeni ellenálló képességét és erősíti a növények szárazságtűrő képességét. Kevesebb műtrágya szükséges azonos vagy magasabb hozam eléréséhez. A növények különböző fejlődési stádiumában 10 l/ha mennyiségben növényre permetezve kerül kijuttatása. A környezetvédelemben is kitüntetett szerep jut az algáknak, amelyek szennyvizek tisztításában vesznek részt, miközben a belőlük nyert alga olajból energiát termelnek. Intenzív szaporításukhoz szén-dioxidra van szükségük, amelyet mintegy négyszázszor gyorsabban vonnak ki a levegőből, mint a fák. Egy tonna alga biomassza létrehozásához, viszonylag kis területen 1,8 tonna szén-dioxidra van szükség. További előnyös tulajdonságuk, hogy az év minden szakában aktívak, és rendkívül gyors fotoszintézisüknek köszönhetően erőteljes biomasszaképzők. Egyes algafajok 30-40 százalékos olajtartalommal bírnak, vagyis durván három kilogramm biomasszából egy liter algaolaj nyerhető, ami hektáronként 150 tonna biomasszát jelent. 47
A közel 300 ezer ismert algafajból mintegy 160 fajtát használ az ipar. Az óriási választékból a hazai és a külföldi piac igényeit felmérve kell a sikeres fajtákat kiszűrni. A jelenlegi ismereteink szerint a legpiacképesebbnek a gyógyászati hatóanyagokat tartalmazó mikroalgafajok tűnnek. Értékesek lehetnek még az omega-zsírsavban vagy a fehérjékben gazdag változatok is. Jó minőségű tömegtermelés mellett az algaolaj, illetve biodízel előállítását is gazdaságosan lehet megvalósítani. Az algák termesztése hazai viszonyok között zárttartályos rendszerben történhet. Egy kisméretű gazdaságban már 0,5 köbméteres méretben is létrehozható algatenyészet. A nagy széndioxid-kibocsátású üzemek mellé azonban az 5-10 ezer köbméteres berendezéseket ajánlják. Alacsony hatékonyságuk miatt a tartályok kádas, csöves típusait nem javasolják, helyettük a csöves típusnál tízszer hatékonyabb piramidálist célszerű használni. Maguk a termesztő berendezések teljesen automatizáltak, élőmunka-igényük minimális, emberi beavatkozást csak a töltési és karbantartási műveletek igényelnek. Minden termesztéstechnológia lényeges elemei a megfelelő fényviszonyok, a tápanyagellátás és hőmérséklet megteremtése. A tápanyagigény függ a víz összetételétől, hőmérsékletétől és a mikroalgafajtól is. A fényráfordítási költségek mérséklésére az üvegházas konstrukció az előnyös. Az alga termesztése anyagilag komoly befektetést és szakmai felkészültséget igényel, ezért a kutatók regionális üzemek létrehozását javasolják, támogatások igénybevételével. A termelési cél egyaránt lehet üzemanyag, takarmány vagy mindkettő. Ha a piaci igények változnak, csak az algafajt kell lecserélni, és egy picit módosítani a technológián, ami a műszaki berendezéseket lényegében nem érinti. 2. ALGATERMESZTÉS ELŐNYEI Az algák rendkívül gyors szaporodásúak, és mivel nem tudják hosszabb ideig raktározni a tápanyagokat, tömegük jellemzően naponta megduplázódik. Ennek köszönhetően a betakarítás akár néhány naponta, vagy hetente elvégezhető, ami folyamatos bevételt jelent, és a feldolgozóipari üzemek folyamatos üzemelését is lehetővé teszi rövid készletezési idővel. Az algák viszonylag jó (5-7%) hatásfokkal hasznosítják a fényenergiát, aminek eredményeképpen egységnyi területről a szárazföldi növények többszörösét kitevő biomassza takarítható be (akár 150-300 t/ha). Ebből következően a magas olajtartalmú algafajok olajhozama (50-90 ezer l/ha) nagyságrendileg múlja felül a jelenleg felhasznált olajnövényekét. Az alga nem igényel termőföldet, nem veszélyezteti az élelmiszer- és takarmány-előállítást, sőt a bioüzemanyag gyártása során képződő melléktermék élelmiszer- és takarmányalapanyagként is hasznosítható. Az algánál nincsenek vetésváltási problémák, illetve egymástól eltérő befektetett eszközök beszerzése, hiszen a gazdasági hasznosítású algafajok termesztésének technológiai folyamatai megegyeznek. Egyedül az adott algafaj specifikus környezeti igényeit (fény, hőmérséklet, tápanyag, szén-dioxid) kell figyelembe venni, melyek megfelelően kiépített technológia esetén könnyedén megváltoztathatóak. Ebből adódóan könnyen át lehet térni energiacélú algatermesztésről takarmánycélúra, illetve lehetséges bármilyen formában előállítani az energiát. Az első generációs biohajtóanyagoknak a jövőben is csak kiegészítő szerepük lehet. Ugyanakkor megfelelő algafajokkal elvileg 110-120 millió hektáron (a világ vízfelületének mindössze 3-4 ezrelékén) 48
előállíthatnánk a jelenlegi olajfogyasztásunk nyersanyagát. 3. ALGATERMESZTÉSI TECHNOLÓ- GIÁK Az algatermesztés többféle technológiában valósítható meg. Az egyik elterjedt és ipari méretekben is használatos termesztés-technológia a nyitott medencés rendszer (1. ábra). Itt kör, vagy ovális alaprajzú medencében, kis áramlási sebességgel áramoltatott folyadékban kb. 0,35 g/l algatömeg nyerhető naponta. Ehhez a kialakításhoz legáltalánosabban a lapátkerekes áramoltatást alkalmazzák. A módszer egyszerűsége ellenére biztosítja a massza állandó mozgásban tartását a szuszpenzió homogenitásának fenntartását. A folyadék mozgatására léteznek még injektoros áramoltatású és légbefúvásos rendszerek is. A medencék vízmélységét az algák egyenletes fényhez jutási követelménye korlátozza. Ezért 30-40 cm vízmélységnél nagyobbat nem alkalmaznak, hiszen a sűrű massza a mélyebben lévő rétegeket leárnyékolja. A rendszer előnye, hogy a nyitott, nagy felszínű medencékben az algák hozzájutnak természetes napfényhez, a légkörből felvehető CO2- hoz és némi tápanyaghoz. A rendszer nyitottsága folyamatos gondot jelent az üzemeltetésben, kiszolgáltatott a klimatikus viszonyoknak. Nagy a párolgási veszteség, a medencék könnyen szennyeződnek, fertőződnek. A CO2 egy része visszakerül a légkörbe, az elegy homogenitása, hőmérséklete, ph-ja csak részben kontrollálható. Az egyéb célokra nem hasznosítható földterületeken történő megvalósítás esetén a relatíve alacsony beruházási költség vonzó lehet. A megépült üzemek kb. fele jelenleg is ezt a technológiát használja. Magyarország klimatikus viszonyai között a rendszer működtetése a melegebb hónapokra korlátozódik, ami a rendszer éves teljesítményét, nyereségességét erősen korlátozza. A zárt medencés rendszerek (2. ábra) kialakításának fő célja, hogy a nyitott rendszerek előnyeinek megtartása mellet a termesztést biztonságosabbá tegye. Alapvetően a nyitott rendszerek technológiáját felhasználva, de a technológia lefedésével egy, a környezeti feltételektől kevésbé függő rendszert alkot. Jelentős mértékben felhasználja a napból érkező fényt, a légköri CO2-t, ugyanakkor csökkenti a környezeti feltételek negatív hatásainak mértékét. A megvalósításra több módszer ismert, a medencék fóliával való lefedésétől az üvegház jellegű kialakításig. A rendszer termelékenysége a nyitott rendszerekhez viszonyítva valamelyest jobb, de nem számottevően, viszont nagyban növelhető a rendszer biztonságos üzemeltetése. A csöves rendszerek (3. ábra) főbb sajátosságai függőleges, vagy vízszintes irányban, egymással párhuzamosan elhelyezett acryl csövek. A napfény bejutásának biztosítása céljából maximum 30 cm-es sugarú csövek használhatóak. A termesztőközeg keringetését szivattyúval végzik. A naponta keletkező alga (Spirulina) mennyisége 0,8 g/l. 100 m 3 -es, 80 kg/nap kapacitású rendszerhez kb. 1200 m 2 terület szükséges. Lehet szabadtéren elhelyezett, illetve fedett rendszer üveg, vagy műanyag borítású fémvázas építmény. A csöves rendszer előnye a magas biomassza termelés. Nagyobb átmérőjű csövek alkalmazása esetén a biomassza áramlása jól megoldott, jó keveredés érhető el miközben a folyadékmozgás során fellépő nyíróerők kevésbé roncsolják az algákat. 49
1. ábra. Nyitott medencés rendszerek 2. ábra. Zárt medencés rendszer 3. ábra. Csöves rendszer 4. ábra. Műanyagzsákos rendszer 50
Hátrányok: A csövek mentén a ph, az oldott oxigén és CO2 érték eloszlása egyenetlen, a konstrukció speciális anyagokból épül, a fellépő nyíróerők károsíthatják az algákat, a csövek falán megtelepedő algák akadályozzák a fény bejutását, mesterséges megvilágítás is szükségessé válhat. Műanyagzsákos termesztő rendszerben (4. ábra) egymással párhuzamos sorokban egymás mellé függesztett műanyagzsákokat építenek, a keringetést, tápanyag adagolást szivattyúval oldják meg. A naponta keletkező algatömeg kb. 0,6 g/l. A termesztőközegre vetített területigénye közel megegyezik a csöves rendszerekével. A zsákok elhelyezhetők szabadtéren, vagy zárt fólia, illetve üvegborítású fémvázas rendszerben. Aknás rendszereknél (5. ábra) a felszín alatt kialakított mintegy 4 m mély akna kisebb területet és kevesebb napfényt igényel. A keringetést légszivattyú végzi, a napi algatömeg a 0,9 g/l mennyiséget is elérheti. Az aknák optimális mérete 5 x 5 x 4 m, 100 m 3 víztömeg. 4 m-es vízmélység a klorofil szegény algák esetében kellő fényellátást biztosít. Ehhez a kapacitáshoz 25 m 2 terület szükséges. A piramidális fotobioreaktor (6. ábra) számítógéppel vezérelt és ellenőrzött rendszer. A természetes fény hasznosítása mellett mesterséges úton is szabályozható a fény és hőmérsékleti körülmények, az algakultúra szükséglete szerint kontrollálható a tápanyag és CO2 bevitelt. A folyamatos keveredést levegőbuborékok biztosítják. A napi algamennyiség termelés az 1,45 g/l értéket is megközelíti. 5. ábra. Aknás rendszer 6. ábra. Piramidális fotobioreaktor A zárt rendszer további előnye, hogy a feladathoz kiválasztott egy-vagy több fajból álló algakultúra nem keveredik más fajokkal, a rendszer kevéssé érzékeny por, fertőződés, egyéb káros behatásokkal szemben. Már ipari mértekben is alkalmazott biotechnológiai rendszerekhez viszonyítva az algatermesztéshez kidolgozott fotobioreaktorok méretei rendkívül kicsinek mondhatóak. 100 m 3 51
kapacitású rendszer esetében terület szükséglete, mint egy 60 m 2. Az algatermesztés technológiájának korszerűsítésével piaci alapokon számos vállalkozás kezdett el foglalkozni. A fejlesztések elsősorban az elérhető maximális költséghatékonyságra, illetve profitra törekszenek. Az alábbiakban ismertetett rendszer az előző rendszerek egyfajta keveréke. Simgae alga biomassza termesztési rendszernél (7. ábra) a fejlesztők fő célja egy olyan rendszer kidolgozása volt, melyet mezőgazdálkodással foglalkozó üzemek részére, de piaci alapon működő kiegészítő tevékenységként is ajánlanak. A rendszer csökkenti a nyitott, illetve zárt rendszerek sajátosságaiból adódó hátrányokat, ugyanakkor ipari méretekben alkalmazható módszer. Miközben a nyitott rendszerek beruházási oldalról talán a legolcsóbbnak tekinthetők, a fő problematikáját a szennyeződés, fertőződés, evaporáció, egyenetlen hőmérséklet, CO2 bejutása és a karbantartási nehézségek jelentik. A zárt rendszerek ugyanakkor jól kontrollálható környezeti feltételeket így jelentősen nagyobb termesztési biztonságot és volument biztosítanak, ugyanakkor a beruházási költségük jelentősen magasabb. Az előzőek figyelembevételével a fejlesztők egy mezőgazdasági alapú eljárást fejlesztettek ki. Mezőgazdasági annyiból, hogy a rendszer a külterjes mezőgazdaság eszközeivel kialakítható, a kapacitás bővítése horizontális növeléssel biztosítható legyen. A rendszernek nincs állandó, épített jellegű létesítménye. Kialakításához a kereskedelemben kapható, széleskörűen alkalmazott anyagokat használnak. A rendszer fő elemei a polietilén fólia és a kiegészítő berendezések (szivattyú, kompresszor, stb.) sem speciálisan erre a célra fejlesztett termékek. Az előkészítő földmunkálatok a mezőgazdaságban általánosan használatos eszközökkel elvégezhetőek. 7. ábra. Simgae alga biomassza termesztési rendszer 4. ALGABETAKARÍTÁS Az algatermesztési technológia a felhasználási céljától függően az egyik sarkalatos és kritikus pontjainak számító lépések a betakarítás, illetve a szűrés és víztelenítés műveletei. Cél az algatömeg minél gyorsabb, gazdaságosabb szeparálása a tápoldattól. A betakarítás történhet 52
mikroszűréssel, centrifugálással, flokkulációval, szonokémiai technikával vagy más egyéb, még fejlesztés alatt álló technológiákkal. A különböző szeparátorok, centrifugák, dekanterek és sedikanterek, mint szétválasztó egységek nagy teljesítménnyel, az alga ipari feldolgozásra elsősorban az energetikai iparban és élelmiszeriparban alkalmazhatók gazdaságosan. A leválasztott alga további kezelése történhet porlasztva szárító berendezéssel főleg a gyógyszeripari és élelmiszeripari termékekhez történő előállításra. Egylépcsős technológia egyik alapgépe a szeparátor, a leválasztást követően mintegy 17% szárazanyag tartalommal kerül a besűrített alga a szárítóba. Kétlépcsős technológiában az első lépés egy flotációs elősűrítés, majd ezt követi a sedikanteres víztelenítés, ahol kb. 24-25% szárazanyag tartalmú a végtermék. A fenti módszerek kiválasztása a technológia, a méret és a felhasználás függvénye. 5. ALGA, MINT TAKARMÁNY Mikroalgák termesztése már több mint 40 éve szerves része a modern akvakultúra formáknak, folyamatos fejlesztés és bővítés történik főleg az élelmiszer és üzemanyag szektorban. Ebben az időszakban alakult ki sokféle magas tápértékű fotoszintetikus mikroalga törzs tenyésztésének stabil módszere is, igaz ezek sokkal érzékenyebbek a sérülésekre és a szennyezőkre, mint a tömegesen extrém környezetben egyéb célokra tenyésztettek. Várható, hogy a haszon a jelenlegi biotechnológiai beruházások formájában visszatér az akvakultúra ágazatba, hatékonyabb mikroalga termelési rendszerek és halkeltetők takarmányozására használható nagyobb tömegben rendelkezésre álló, jó minőségű mikroalga biomassza és biomassza kivonatok formájában. Az, hogy az alga biomassza a jövőben az állatok takarmányozásában fehérje és energiaforrásként tömegtakarmány lesz e, vagy csak kiegészítő takarmány marad, az függ a biomassza rendelkezésre állásától, az összetételtől és a költségektől. Arra lehet következtetni, hogy amíg a készletek növelése és a költségek csökkenése nem realizálódik, az alga biomassza és a biomassza kivonatok a takarmányozásban továbbra is csak a piaci réseket tudják kitölteni, mint például pigmentek forrásaként. Jelenleg az algára alapozott bioüzemanyag előállítás integrált biofinomítóval kínál kulcsfontosságú elmozdulási lehetőséget a meglévő biomassza kínálat és költséghatékony megoldások mellett, kedvezve az állati takarmányozásnak. Feltételezve, hogy elegendő mennyiségű alga biomassza áll majd rendelkezésre a megfelelő áron, az alga előállítóknak és a takarmány gyártóknak is figyelembe kell venni a potenciálisan nagy eltéréseket, az összetételek közelítését (fehérje, zsírok, zsírsavak, ásványi anyagok stb.), a különböző algatörzsek emészthetőségi tapasztalatait és a termesztési feltételeket. Lényeges szempont továbbá az alga biomassza kiegyenlítettebb összetétele, hogy a gyártók számára az új takarmányokba könnyebben beépíthető legyen. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A cikk az Izolált algafajok célzott alapkutatása c. project (TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV- 2012-0007) támogatásával készült. 53
IRODALOM Bai A.: 2011. Újabb generációs bioüzemanyagok perspektívái. Magyar tudomány, 2011/7. Robin J. et al.: 2012. Algae for Aquaculture and Animal Feeds. Technikfolgenabschätzung Theorie und Praxis 21. Jg., Heft 1, Juli 2012. www.diversified-energy.com www.iimsam.org/images/growthtech.pdf 54